Celsjusz, Fahrenheit i kelwin: jak działają skale temperatury
Większość świata powie, że na zewnątrz jest 20 stopni, Amerykanie powiedzą 68, a fizyczka może powiedzieć 293. Wszyscy opisują ten sam przyjemny wiosenny dzień.
Temperatura to szczególna jednostka: jej skale różnią się nie tylko wielkością stopnia, ale też zaczynają się w różnych punktach zerowych. Ten poradnik wyjaśnia, skąd pochodzi każda skala, jak przeliczać dokładnie i w pamięci oraz jaki błąd przy przeliczaniu popełniają nawet staranni ludzie.
Trzy skale, trzy punkty wyjścia
Celsjusz (°C) umieszcza 0° w punkcie zamarzania wody, a 100° w jej punkcie wrzenia na poziomie morza. Anders Celsius zaproponował tę skalę w 1742 roku. Co ciekawe, jego pierwotna wersja była odwrócona – woda wrzała w 0°, a zamarzała w 100° – i odwrócono ją wkrótce po jego śmierci.
Fahrenheit (°F) zdefiniował Daniel Gabriel Fahrenheit na początku XVIII wieku. Na jego skali woda zamarza w 32°, a wrze w 212°, więc między tymi punktami jest 180 stopni Fahrenheita zamiast 100. Dziś skali Fahrenheita używa się głównie w Stanach Zjednoczonych i kilku innych krajach.
Kelwin (K) to skala naukowa. Zaczyna się od zera bezwzględnego, najniższej fizycznie możliwej temperatury, w której cząstki mają najmniejszą możliwą energię. Kelwin ma tę samą wielkość co stopień Celsjusza, więc skale są jedynie przesunięte: 0 K to −273,15 °C. Od 1968 roku jednostka nazywa się „kelwin” bez słowa „stopień” – piszemy 293 K, a nie 293 °K.
| Punkt odniesienia | Celsjusz | Fahrenheit | Kelwin |
|---|---|---|---|
| Zero bezwzględne | −273,15 °C | −459,67 °F | 0 K |
| Celsjusz równy Fahrenheitowi | −40 °C | −40 °F | 233,15 K |
| Woda zamarza | 0 °C | 32 °F | 273,15 K |
| Przyjemny pokój | 20 °C | 68 °F | 293,15 K |
| Ciało człowieka | 37 °C | 98,6 °F | 310,15 K |
| Woda wrze (poziom morza) | 100 °C | 212 °F | 373,15 K |
Dokładne wzory
Ponieważ punkty zerowe są różne, przeliczenie między Celsjuszem a Fahrenheitem wymaga mnożenia i dodawania:
°F = °C × 9/5 + 32
°C = (°F − 32) × 5/9
Dla kelwinów wystarczy przesunięcie:
K = °C + 273,15
°C = K − 273,15
Przykład: przelicz 25 °C na stopnie Fahrenheita.
25 × 9/5 + 32 = 45 + 32 = 77 °F
Przykład: przelicz 50 °F na stopnie Celsjusza.
(50 − 32) × 5/9 = 18 × 5/9 = 10 °C
Przeliczniki Celsjusz na Fahrenheit i Fahrenheit na Celsjusz pokazują wynik dla dowolnej wartości natychmiast.
Sposób na liczenie w pamięci przy pogodzie
Dla codziennych temperatur: podwój wartość w stopniach Celsjusza i dodaj 30:
20 °C → 20 × 2 + 30 = 70 °F (dokładnie: 68 °F)
W drugą stronę: odejmij 30 i podziel przez dwa:
80 °F → (80 − 30) ÷ 2 = 25 °C (dokładnie: 26,7 °C)
Mniej więcej między 0 °C a 30 °C ten sposób myli się tylko o kilka stopni, co obejmuje większość pogody. Przy wartościach skrajnych jest gorzej, więc nie używaj go w kuchni, w medycynie ani do niczego technicznego.
Błąd, który popełnia prawie każdy: różnice temperatur
Załóżmy, że prognoza pogody zapowiada, że jutro będzie o 10 °C cieplej. Ile to jest w stopniach Fahrenheita?
Po podstawieniu 10 do wzoru wychodzi 50 °F – ale to błąd. Wzór przelicza odczyt temperatury, a „+ 32” istnieje tylko dlatego, że punkty zerowe są różne. Różnica dwóch temperatur nie ma punktu zerowego; liczy się tylko wielkość stopnia:
Zmiana o 10 °C = zmiana o 10 × 9/5 = 18 °F
To samo dotyczy tolerancji, kalibracji piekarników i danych klimatycznych. Globalne ocieplenie o 1,5 °C to wzrost o 2,7 °F, a nie o 34,7 °F. Między Celsjuszem a kelwinem różnica to ta sama liczba w obu jednostkach: wzrost o 1 °C to wzrost o 1 K.
Dlaczego nauka używa kelwinów
Wiele praw fizyki zależy od temperatury bezwzględnej, mierzonej od zera bezwzględnego. W równaniu stanu gazu doskonałego na przykład podwojenie temperatury gazu w kelwinach przy stałej objętości podwaja jego ciśnienie. Podwojenie temperatury w stopniach Celsjusza nie ma fizycznego sensu: 20 °C to nie „dwa razy cieplej” niż 10 °C. W kelwinach porównanie to 293 K wobec 283 K – zaledwie o około 3,5% więcej.
Od 2019 roku kelwin definiuje się przez ustaloną wartość stałej Boltzmanna, łączącej temperaturę z energią, a nie przez właściwości wody. W codziennym życiu nic się nie zmieniło: woda nadal zamarza w temperaturze około 0 °C.
Najważniejsze informacje
- Celsjusz i Fahrenheit mają różne punkty zerowe i różnej wielkości stopnie; kelwin ma wielkość stopnia Celsjusza, ale zaczyna się od zera bezwzględnego.
- °F = °C × 9/5 + 32; K = °C + 273,15.
- Przy pogodzie „podwój i dodaj 30” myli się tylko o kilka stopni.
- Różnice temperatur przeliczaj wyłącznie według wielkości stopnia: zmiana o 1 °C = zmiana o 1,8 °F.
- −40 to jedyna temperatura jednakowa w skali Celsjusza i Fahrenheita.
Dowolną temperaturę przeliczysz przelicznikiem temperatury, także na kelwiny i rzadziej spotykane skale Rankine’a i Réaumura.